一种二氧化碳内循环的沼气发酵减碳方法与流程

1.本发明属于有机物资源化领域，涉及一种促进有机物厌氧发酵产甲烷、深入降低沼气系统碳排量的技术，具体涉及一种二氧化碳内循环的沼气发酵减碳方法。


背景技术：

2.沼气发酵技术广泛应用于有机固体废弃物和高浓度有机废水的处理过程中，通过厌氧微生物的代谢作用将有机成分转化为生物质能源，是实现有机废弃物减量化、稳定化和资源化处理的有效途径。根据厌氧发酵理论，有机物经过水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷四个阶段转化为沼气，其中复杂有机物厌氧发酵产气效率低下，不利于发酵技术的工业化推广和应用。提高有机物发酵效率的常规方法主要有底物预处理、优化工艺参数、混合基质发酵等。
3.沼气是一种可燃气体，综合利用价值高，可用于热电联产和集中供气。沼气的主要成分是甲烷(50
‑
75％))和二氧化碳(25
‑
50％)，以及少量或微量的硫化氢、水蒸气、氮、氢气、氧气等杂质气体。沼气的主要能源成分是甲烷，为了降低沼气输送和利用过程中的不安全因素、减少成本和设备损耗，需要采取必要的沼气净化和提纯工艺。沼气脱碳可获得高浓度富甲烷气，使沼气的应用范围扩大到车载生物燃气或并入天然气管网等方式。目前，已有大量成熟的技术和工艺能够实现烟气、沼气中甲烷和二氧化碳的分离，如膜分离法、变压吸附法、加压水洗法、吸附法、化学吸收法等。然而，当前的沼气脱碳技术重点关注甲烷的回收率，而二氧化碳常作为废气经处理后排放，对二氧化碳的回收和再利用的关注较少。二氧化碳在沼气中的含量(体积占比30
‑
50％)仅次于甲烷，若不能有效的利用将增加碳排量、造成资源浪费。
4.二氧化碳是甲烷菌生长的重要底物，是嗜氢产甲烷菌的直接碳源，是嗜乙酸甲烷菌的间接碳源，借助同型产乙酸菌的协同作用，嗜乙酸产甲烷菌也可利用二氧化碳生成甲烷。研究证实，向厌氧发酵装置中通入二氧化碳，可提高中温厌氧发酵的甲烷产量，并且通入高纯二氧化碳对餐厨垃圾产甲烷的促进作用显著高于传统沼气回流的效果。然而，作为一种新型提高发酵效率的途径，这种方法需要消耗大量的外源二氧化碳，造成运行成本的提高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可实现二氧化碳的内循环、可降低了外源二氧化碳的成本投入、可减少沼气系统的碳排量、能增加发酵系统的碱度和稳定性，从而可提高有机物的甲烷转化率和提高沼肥的钾含量的二氧化碳内循环的沼气发酵减碳方法。
6.本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
7.一种二氧化碳内循环的沼气发酵减碳方法，其特征在于：由沼气制备单元制备的沼气通入到沼气净化分离单元，由沼气净化分离单元分离出甲烷和二氧化碳，分离出的二
氧化碳气体通入到装有二氧化碳吸收液的容器中，生成khco3溶液，生成的khco3溶液回流输入给沼气制备单元。
8.进一步的：所述二氧化碳吸收液为koh溶液或k2co3溶液。
9.进一步的：所述沼气制备单元包括原料预处理装置及厌氧发酵反应器，原料预处理装置处理后物料输送至厌氧发酵反应器内。
10.更进一步的：在原料预处理装置或厌氧发酵反应器内安装有喷洒和或混匀装置，喷洒装置用于实现回流的khco3的均匀分散。
11.进一步的：所述沼气净化分离单元包括沼气净化储存装置和沼气分离装置，沼气净化储存装置的气体排出端与沼气分离装置的气体输入端之间连通，沼气分离装置上设置有二氧化碳气体排气端和甲烷排出端。
12.本发明具有的优点和积极效果：
13.1、本发明将沼气提纯后的富二氧化碳废气进行内循环，实现回收利用，降低了沼气工程的排碳量，促进低碳生产，提高了甲烷的纯度和应用范围。
14.2、本发明采用koh或k2co3吸收二氧化碳，进而以khco3溶液的形式进行循环，具有以下几个优势：
15.2.1采用koh溶液或k2co3溶液吸收co2的吸收效率高、效果稳定、方便调节，可以通过控制吸收剂koh的质量控制co2回流量，有助于根据反应装置运行情况调控co2的回流。
16.2.2以液体形式hco3‑
向反应器中投加co2，碳在反应体系中停留时间更长，增加了与微生物的接触时间。将co2以hco3‑
形式回流，避免了因干式发酵工艺中物料混合不均匀或湿式发酵工艺中气液传质速率过低而造成co2快速脱离微生物反应系统的情况，提高co2的生物转化率。
17.2.3koh溶液或k2co3溶液完全吸收co2后，形成的khco3溶液中的hco3‑
不仅是发酵装置中自养微生物的碳源，还具有缓冲能力。对于高c/n发酵底物(如餐厨垃圾)高浓度发酵或干式发酵系统，hco3‑
的缓冲能力强化系统抗“酸败”的能力，促进系统顺利启动、稳定运行及高效产甲烷。
18.2.4koh溶液或k2co3溶液中的k

具有肥力，加入khco3增加了沼肥的肥效，减少后续有机肥制备中外加钾肥的投加量。此种有机肥适用于酸性土壤的改良。
19.2.5对于可能存在na

抑制的发酵过程(如餐厨垃圾发酵)，k

投加到发酵体系可提高甲烷发酵对na

的耐受能力，发挥毒性拮抗作用。
附图说明
20.图1是本发明的系统工艺流程图；
21.图2是本发明实施例甲烷产率对照参考图。
具体实施方式
22.以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
23.本发明的二氧化碳内循环的沼气发酵减碳方法，主要涉及到沼气制备系统、沼气净化分离系统及二氧化碳内循环系统。沼气制备系统主要用于生产沼气，同时接收内回流
的二氧化碳吸收液，并根据物料类型、反应装置类型和提高发酵效果的要求设置相应的原料预处理工艺、构筑物或装置。沼气净化分离系统主体装置为甲烷和二氧化碳的分离装置，并根据分离装置对进气的需求不同设置对应的净化装置。二氧化碳内循环系统具备使二氧化碳增压后进入koh(氢氧化钾)或吸收容器形成khco3溶液，并加khco3溶液投加到沼气制备系统中的设备和装置等。
24.有机物进入沼气制备装置进行沼气发酵反应，产生的沼气经过排气管路进入沼气净化分离系统。沼气经过预处理，满足进行脱碳工艺的进气要求，在脱碳设备中进行甲烷和二氧化碳的分离。分离得到的高浓度甲烷进行综合利用。而二氧化碳连接到二氧化碳吸收装置中，即通入koh或khco3吸收容器中，并以khco3的形式回流到沼气制备系统中。
25.厌氧发酵的装置，是将发酵原料中的有机物转化为沼气的生化反应器，内部含有参与有机物转化及产甲烷的相关微生物，并处于适宜产甲烷的环境条件中。发酵原料指高浓度有机废水、有机固体废弃物或其它能够发酵产甲烷等物料，本发明对碱度不足的原材料高浓度发酵或干式发酵的促进效果更为显著。若发酵原料需要预处理，应设置原料预处理装置，预处理方式主要包括：分选、稀释、调温、调ph值、固体破碎、固液分离等，根据厌氧发酵装置对进料的要求设置预处理工艺和设备。
26.沼气发酵装置中包括维持发酵正常运行的设备或结构。发酵装置内部或原料预处理装置中应包括喷洒或通入二氧化碳碱性吸收液的装置。
27.沼气净化分离单元中的沼气净化储存装置为沼气预处理设备，包括脱水、脱硫等沼气净化工艺设备，以及气柜等沼气存储调节设备，同时按照不同沼气脱碳工艺的进气要求，加设相应的增压、除杂装置。
28.要求在沼气预处理和提纯工艺过程中，向分离气(二氧化碳和甲烷)中新引入的空气或其它不利于沼气发酵的杂质气体应较少。
29.沼气净化分离单元中，甲烷和二氧化碳分离装置能够实现二种气体的有效分离。
30.富二氧化碳气体的传输管路、设备应为防腐蚀装置；由于二氧化碳易溶于水，与液体接触的管路应防倒流或设置密封耐压的管路排水装置。
31.根据富二氧化碳气体的收集量，可连续或间歇地将其投加到沼气制备装置。
32.综上，本发明提出一种新型沼气发酵工艺流程，将沼气提纯脱碳分离的二氧化碳用碱液吸收后，回流至沼气发酵系统，实现二氧化碳在沼气发酵系统内部的转化，并且促进甲烷产量和沼气品质的提升。
33.发明专利[cn 112920939 a]提出一种强化二氧化碳利用发酵分离耦合集成提高生物天然气发酵产甲烷的方法，构建了反应器和分离膜系统组成的二氧化碳循环系统，通过外加厌氧菌液固定二氧化碳及生物转化。该专利所采用的co2固定方法为生物法，与本专利所采用的化学吸收法不同。
[0034]
发明专利[cn102329672a]分离沼气中的甲烷和二氧化碳，主要用于甲烷和二氧化碳的生产，而非通过二氧化碳内循环提高发酵效率。
[0035]
发明专利[cn101892267a]公布了一种具有甲烷原位富集功能的沼气发酵工艺，该工艺抽取部分发酵液，利用吹脱和真空释放二氧化碳的方法降低发酵液中的二氧化碳含量，再回流至发酵反应器中，反应器的沼气含量提高到85％。然而，这种方法未能降低二氧化碳的排放量，且未实现二氧化碳向甲烷的转化
[0036]
以下面具体实施例对本发明二氧化碳内循环的沼气发酵减碳系统做进一步的说明：
[0037]
实施例：
[0038]
选择厌氧发酵反应器，反应器为500l厌氧瓶，有效容积为400ml，餐厨垃圾发酵，发酵底物浓度为35g
‑
vs/l，接种污泥16.5g
‑
vs/l，发酵温度为40℃，初始ph值为7.0，通入n210min创造厌氧条件，批式发酵。实验组：将发酵产气通入5ml 1mol/l koh吸收瓶中过量吸收，获得co2吸收液，将吸收液注射到厌氧发酵瓶中，混合均匀。对照组：未进行co2回流。
[0039]
从注射回流吸收液开始，测定甲烷产率，见图2。由图2知，经过碱液吸收co2内回流后，甲烷的产率提高了8％。快速产气阶段及产气趋于稳定后，沼气中甲烷浓度均在58
‑
65％之间。
[0040]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。